層燃爐煤燃燒碳黑形成機理的實驗研究與排放控制方法.pdf

1、煤燃燒排放的碳黑顆粒對環(huán)境的污染和人類健康的影響越來越受到廣泛關注，空氣中的碳黑顆粒與人類的急性和慢性疾病有很大關系，對人類生活有很大危害。到目前為止，多數(shù)研究工作集中在簡單烴、液體燃料和煤粉燃燒生成碳黑的研究，層燃條件下煤燃燒生成碳黑的研究卻鮮有報道。我國煤炭資源豐富，是世界上最大的煤炭消費國；我國有五十多萬臺工業(yè)鍋爐，蒸發(fā)量一百二十多萬噸，其中燃煤的工業(yè)鍋爐占85％，以層燃方式為主；效率較低、污染物排放高。研究層燃爐煤燃燒的碳黑形成

2、機理，對減少污染物排放和提高燃燒效率有重要意義。 在層燃爐煤燃燒過程中，煤的揮發(fā)分與空氣的流動方向平行，二者的混合程度有限，會出現(xiàn)爐膛內由于局部缺氧而導致的揮發(fā)分熱解過程：本文在設計的可移動式-固定床實驗臺上，研究煤的揮發(fā)分在熱解過程中碳黑的形成機理；研究溫度、氣體停留時間和煤種對碳黑形成的影響；采用玻璃纖維膜收集碳黑氣溶膠試樣，采用二氯甲烷溶液分離焦油和碳黑；分別采用傅立葉紅外光譜儀(FTIR)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電感

3、耦合等離子光譜儀(ICP-AES)和氣相色譜-質譜聯(lián)用儀(GC-MS)測試碳黑氣溶膠官能團含量、微觀尺寸結構、灰分的含量和熱解氣成分。研究結果顯示：碳黑的生成量與熱解氣中的芳香烴含量存在必然聯(lián)系，熱解氣中的部分芳香烴是脂肪烴濃縮、環(huán)化的結果；隨著溫度的升高，碳黑生成量增多，焦油生成量減少；熱解氣中飽和脂肪烴濃度降低，芳香烴濃度升高，部分飽和脂肪烴經(jīng)歷了濃縮和環(huán)化反應轉化成芳香烴；碳黑氣溶膠中-O-H、-N-H鍵含量升高，-C≡C、-C≡

4、N含量降低，苯環(huán)(C=C)含量增加；碳黑氣溶膠的平均顆粒直徑增大，聚合過程較明顯。隨著氣體停留時間的延長，碳黑生成量增多，焦油生成量減少：熱解氣中飽和脂肪烴濃度降低，芳香烴濃度升高；碳黑氣溶膠中-O-H、-N-H鍵含量升高，-C≡C、-C≡N含量升高，苯環(huán)(C=C)含量先升高后降低；碳黑氣溶膠的顆粒直徑增大，聚合過程明顯。在相同條件下，揮發(fā)分較高的煤熱解時生成更多的碳黑；熱解氣中含有更多的芳香烴；原煤中的C-H鍵的含量普遍大于相應煤種熱

5、解生成碳黑氣溶膠中C-H鍵的含量，C≡CC≡N鍵形成能力較強的是含C≡CC≡N鍵較多的大同煤，碳黑氣溶膠芳香(C=C)鍵形成能力較弱的是大同煤，碳黑氣溶膠中的苯來自于烷烴的環(huán)化和煤揮發(fā)分中的苯，煤種不同，該鍵含量不同，與煤的微觀化學結構有關；煤的揮發(fā)分含量越高，團聚越明顯。 針對層燃爐內煤燃燒過程中局部缺氧導致的揮發(fā)分不完全燃燒，本文在設計的可移動式-固定床實驗臺上，研究煤的揮發(fā)分在不完全燃燒過程中碳黑的形成機理；采用正交試驗法

6、研究溫度、氣體的停留時間、煤種和氧量對碳黑生成的影響；實驗方法與煤的揮發(fā)分熱解實驗方法相同，研究結果顯示：碳黑的生成量是碳黑在有氧的環(huán)境或含氧基存在的條件下生成和被氧化的一個相互競爭的過程；隨著氧量的增加，碳黑和焦油的生成量減少；煙氣中的碳含量增大，飽和脂肪烴和芳香烴含量降低；碳黑氣溶膠中氫鍵含量減小，苯環(huán)(C=C鍵)含量減小；碳黑氣溶膠團聚越來越不明顯，結構由致密變得疏松。隨著溫度的升高，碳黑和焦油的生成量先增加后減少；煙氣中飽和脂肪

7、烴濃度降低，芳香烴濃度升高；碳黑氣溶膠中氫鍵含量增大，C≡C、C≡N鍵含量增大，苯環(huán)(C=C鍵)含量減小；碳黑氣溶膠顆粒平均直徑減小。隨著氣體停留時間的延長，碳黑的生成量先增加后減少，焦油的生成量減少；煙氣中飽和脂肪烴含量降低，芳香烴含量升高；碳黑氣溶膠苯環(huán)(C=C鍵)含量減??；碳黑顆粒平均直徑增大，聚合趨勢增大，團聚趨勢較小。揮發(fā)分較高的煤不完全燃燒時碳黑的生成量較高；煙氣中的芳香烴含量較高；煤種不同，苯環(huán)(C=C鍵)含量不同，與煤的

8、微觀化學結構有關；煤的揮發(fā)分含量越高，團聚越明顯。 在層燃爐煤燃燒碳黑形成機理研究的基礎上，采用現(xiàn)場測試和數(shù)值計算相結合的方法對二次風減少碳黑排放的效果進行了模擬；采用現(xiàn)場測試的方法確定產(chǎn)生碳黑的揮發(fā)分成分、含量和速度邊界條件，采用氣體燃燒的PDF模型和碳黑二步生成模型進行數(shù)值模擬；計算結果顯示，二次風能夠有效地減少碳黑的排放。在單元體爐上研究不同煤塊粒度、在悶爐啟動和冷爐膛點火時碳黑的生成情況；并且驗證了二次風減少碳黑排放的作

9、用。通過在單元體模型爐上的實驗，在悶爐啟動比室溫爐膛點火時的碳黑濃度小，悶爐啟動時溫度高，燃燒更充分；通入二次風，有利于爐膛氣體的湍動，加強了燃料與氧氣的混合，有利于完全燃燒，減小了碳黑濃度；小顆粒煤塊的揮發(fā)分析出速度快，如果混合不好，更容易形成碳黑；二次風降低小顆粒煤燃燒碳黑排放的效果更明顯。 結合層燃爐煤燃燒碳黑形成機理的研究結果和理論分析，提出減少碳黑排放的措施，并在實際2t/h層燃爐上就部分減少碳黑排放的措施進行了實爐驗